燃烧理论第5章-新.doc

第五章 预混合气体火焰5.1 概述讨论预混合气体火焰问题就是要研究着火前燃料与氧化剂已经均匀混合成可燃混合气中的火焰传播机理在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、传热、流动、扩散等都起着各自的重要的作用例如，汽油机中的燃烧是预混合火焰，火焰能在极短时间内传遍整个燃烧室，很重要的因素就是发动机在高速运动时气缸内有足够的气流及湍流强度，使燃烧能力大大增强在低温时化学反应速度慢，与扩散及传热相比，它在燃烧过程中所需的时间长因此，化学反应动力学(即反应速度)对火焰的传播起控制作用（即对燃烧过程起主要作用)在高温时则化学反应速度极快，而扩散与传热却相对是速度慢的环节因而，扩散与传热对火焰的传播起着控制作用预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃烧产物分开火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等的分布情况如图5-5(b)所示由于燃烧过程是复杂的化学反应过程，通常它是由许多个中间反应过程所组成因而，在火焰锋面处有许多复杂的、不稳定的、极为活泼的中间产物所有上述变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构5.2 燃烧分类 (爆燃与缓燃)在燃烧现象中，火焰的传播速度与气流的流动状态及速度有关。

当火焰的传播速度大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之为爆燃(爆震波、爆轰，取决于所在学科，见下表)，此时火焰锋面随同爆震波一起前进，燃烧速度(即火焰传播速度)极快当载气流的流速较低时燃烧速度较慢火焰锋面前后的压差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属此类表5-4所示为一些预混合气的爆震速度燃速(m/s)0 1 10 100 1000 3000Deflagration Detonation力学爆燃爆轰热物理慢燃快燃 爆震安全缓燃 爆燃按流动状态分Laminar combustionTurbulent combustion层流燃烧湍流燃烧下面讨论上述两种燃烧现象与载气流速度及燃烧前后压力变化的关系图5-2所示为一水平安置的内部充满可燃混合物的等截面圆管，火焰面从管的左端向管内传播产物fuf反应物sus图5-2 在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播设燃烧波以稳定的速度沿管向右传播如取运动着的波面为坐标，取该处为x=0，则可将该波面看作静止的，可燃混合气以恒速（即燃烧速度）流向反应波处，并认为波前方的反应物及波后面的产物各自为均匀的、无粘性并不导热的，下标s及f分别代表反应物及产物，由一维的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程对介质从s状态到f状态的流动有: （连续方程） (5.1) （Bernolli动量方程） (5.2) （能量方程） (5.3)在这里，焓的定义中还包括化学生成焓在内。

由式(5.1)、式（5.2）合并而得Rayleigh (瑞利)方程： (5.4)并可分别地写成： (5.4a)式(5.4)的左端实为介质在火焰前后的质量流量的平方，并为定值设该值为C，则式(5.4)又可写成： (5.4b)故Rayleigh方程在形式上又是pf与1/ρf(或vf)的线性关系式在p~1/ρ (或v)图5-3a上，如燃烧前状态为（ps, 1/ρs ）,可在图上得到S点，满足连续方程及动量方程的关系是过S点的直线 图5-3 Rayleigh图和Hugoniot曲线 （a）Rayleigh图 （b）Hugoniot曲线当流量变化时，Rayleigh线是过S点的直线束由于该直线的斜率为：，故 Rayleigh线束在以S点为原点的第一、三限内不存在，如图5-3a所示当流量ρu=∞时，Rayleigh线为一条等容线，当ρu=0时，Rayleigh 线为一条等压线 将能量方程式(5.3)改写成: （5.5）与式（5.4）的Rayleigh方程合并后可得: (5.5a)此式为Hugoniot方程式。

因为所以式中：，为产物及反应物的生成焓；为燃烧焓（热）再利用，且及气体状态方程后，Hugoniot又可写成 （5.6）这方程是pf～1/rf 的双曲线型如流动过程中没有燃烧反应，则,Hugoniot曲线是过S点的; 如果有燃烧反应则Hugoniot曲线在S点的上方，离开S点距离与反应的发热量成正比，如图5-3b所示有燃烧时，火焰锋面后方的流动参数及热力学参数应同时满足Rayleigh方程及Hugoniot方程的要求因此，火焰后方的状态参数在p～1/r 图上是 Rayleigh线与Hugoniot线的交点 将Rayleigh线与Hugoniot线的重叠在一张p～1/r图上后就便于研究有流动的燃烧参数变化情况，如图5-4所示图5-4 Rayleigh与Hugoniot线分析图从音速与热力学状态参数的关系可知： (5.12)故： （5.13）即Hugoniot曲线上任一点处的斜率是该点状态下以音速流动的质量流通量的平方的负值但并不是过Hugoniot曲线任意点的切线都通过S点那些不过S点的切线便不能满足火焰前后的连续流动及动量方程。

换句话说，只有过S点与Hugoniot曲线相切的切线SⅠ，及SⅡ才能满足火焰后的流速为当地音速但只有大流量时，即在过S点通向AⅠBE范围的Rayleigh线才能产生压缩波(即pf≥ ps)，因此,SⅠ的流动为爆震状态(该状态可称之为Chapman-Jouguet爆震状态)，而SⅡ尽管也是音速流动，但因是膨胀波，且pf只略小于ps，故它不是爆震状态表5-2所载数据表明爆震波与缓燃波的一些差异 表5-2 气体中爆震与爆燃的差异此外在ⅠA范围的流动为强爆震，EⅠ区间为弱爆震，由FⅡ为弱缓燃区，ⅡD为强缓燃区可以证明，在直管有燃烧的流动中，其强爆震区的流动是不稳定的，稍有干扰就会转变成Chapman-Jouguet爆震状态,而弱爆震是不能产生的也可以证明强缓燃区的有燃烧流动也不能产生有关爆震波的结构Zeldovich及Doring等认为:爆震波是以爆震波速度运动的激波，在此激波之后为被压缩的高温燃烧产物，燃烧产物的状态为Chapman-Jouguet爆震状态同时释放出燃烧热图5-5(a)所示为爆震波的结构示意 图5-5(a) 爆震波结构20%的H2与空气混合气爆震波的物理参数估算值如表5-3所示。

f面即Chapman-Jouguet状态面，平面S为激波锋面，S‘为紧贴激波后的平面表5-3 20%H2与空气混合气爆震波参数表5-4所示系一些气体的爆震波速度从表5-4中可以看出在可燃混合气中增加N2或过量的O2均会便爆震波速度降低表5-4 一些爆震速度5.3 缓燃（层流燃烧）的基本特征按Hugoniot曲线对燃烧现象的划分，工业上及日常生活中所涉及的燃烧大多属于弱缓燃区，燃烧速度uo比较慢不同的燃烧其燃烧速度范围为几个cm/s到数百cm/s在许多方面，缓燃波要比爆震波复杂得多这是因为爆震波的速度与外界的干扰几乎毫无关系，它的速度远大于任何干扰过程的速度由于燃烧，气体混合物在穿过火焰锋面时被加热膨胀，为了使原有的质量流率能够通过， 气体在火焰锋面处必须加速故已燃混合物的速度远比新混合物的速度为大图5-5b)中表达了跨越火焰时的速度及其他参数的变化情况， 图5-5（b）缓燃火焰面结构跨越火焰锋面的压差可由式(5.4a)得: (5.4c)例如 H2/O2火焰，故，此压力差大约只有大气压力的1%左右。

因此，可以认为缓燃是一个等压过程究竟是层流火焰还是湍流火焰，与传播速度、管径、混合物的粘度及管型粗糙度等有关本章将先讨论层流火焰，然后再扩展到湍流火焰当然，后者是一个人们最为关心的问题为了便于说明问题，我们首先以图5-5(b)为例考虑一维层流火焰的传播火焰锋面的厚度可简单定义为最大温差()与最大温度梯度之比，显然，是在温度曲线的拐点处，通常大多数火焰厚度只有几个毫米在如此薄的空间区域内要进行结构情况的测量需要非常细心和良好的技巧事实上，火焰锋面远不是理想的一维的(即平面的或盘形的)由于壁面的摩擦，火焰在管心的速度远大于管壁处粘度使火焰锋面变成抛物线形此外，不可避免地有浮力存在将抛物面歪曲成如图5-6所示的非对称形产物反应物图5-6管内火焰的形状还由于向壁面有少量的散热损失火焰在壁面处将被淬熄(如果管子非常狭小时损失过大，则火焰的传播会完全受阻)由于传播火焰与管壁的接触只有短暂的一刹，管壁不会从火焰的深处获取热量，因而，火焰尚能勉强传播的最小直径(即淬熄距离或淬熄直径)与管壁的材料无关如果是定置火焰，则管壁的材料对使火焰得以保持下去的最小管径是有影响的取up为火焰速度它是火焰沿管子相对于固定空间的观察者的速度。

取us为新鲜反应混合物相对固定观察者的流动速度则燃烧速度u0可定义为：层流火焰锋面沿其自身的法线方向相对于新鲜反应混合物运动的速度从此定义出发则火焰速度、新混合气速度及燃烧速度之间有下式的关系: (5.13)如火焰传播与新鲜气的流动方向相同用“-"号，反之，用"+"号燃烧速度是混合物的化学动力学特征常数它与燃烧反应动力学、有无稀释剂、温度及压力有关图5-12及图5-13显示了各种混合物的(燃料/氧化剂)比值不同时的燃烧速度的变化情况从这些曲线可以看到 在化学计量比成分附近燃烧速度最大，与平衡绝热火焰温度随成分变化的形态相似由式(5.13)知，如us=u0则up=0，火焰为定置，为定置火焰如us＜u0 ，则火焰会传入新混合气而构成回火如us＞u0 ，则来流使火焰流入燃烧产物脱离火焰固定位置而构成脱火回火与脱火的概念用本生灯来考虑(见图5-7) 图5-7 本生灯燃料气以较高速度从喷口喷出，空气从进气口被吸人，作为一次空气进入混合管内如用控制环将进气孔全关，只有纯燃料气从混合管出口流出并形成射流，此时，燃料气流与环境空气相混合产生明亮的扩散火焰。

逐渐打开一次空气进气孔使空气吸入混合管，则可以在扩散火焰内呈现出预混合火焰的蓝色火焰锥进一步增加一次空气量，预混合蓝色锥的尺寸逐渐减小，扩散火焰逐渐消失如果一次空气正好是化学计量值则只有预混合火焰存在与扩散火焰不同，预混合火焰没有那么明亮也短矮得多图5-8为本生灯预混合火焰的形状细节(定性的)可以看出，这只是近似的锥形体火焰尖端处呈圆形，火焰的锥底与管口并不贴合而有一个死区和外悬区存在 。